Σήμερα θα αποκαλύψουμε την ουσία της κυματικής φύσης του φωτός και το φαινόμενο «βαθμός πόλωσης» που σχετίζεται με αυτό το γεγονός.
Η ικανότητα να βλέπεις και να φωτίζεις
Η φύση του φωτός και η ικανότητα όρασης που σχετίζεται με αυτό ανησυχούσε τα ανθρώπινα μυαλά για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι αρχαίοι Έλληνες, προσπαθώντας να εξηγήσουν την όραση, υπέθεταν: είτε το μάτι εκπέμπει ορισμένες «ακτίνες» που «αισθάνονται» τα γύρω αντικείμενα και έτσι ενημερώνουν το άτομο για την εμφάνιση και το σχήμα τους, είτε τα ίδια τα πράγματα εκπέμπουν κάτι που οι άνθρωποι πιάνουν και κρίνουν πώς τα πάντα. έργα. Οι θεωρίες αποδείχτηκαν πολύ μακριά από την αλήθεια: τα ζωντανά όντα βλέπουν χάρη στο ανακλώμενο φως. Από τη συνειδητοποίηση αυτού του γεγονότος μέχρι το να μπορέσουμε να υπολογίσουμε ποιος είναι ο βαθμός πόλωσης, έμεινε ένα βήμα - να καταλάβουμε ότι το φως είναι ένα κύμα.
Το φως είναι κύμα
Με μια πιο λεπτομερή μελέτη του φωτός, αποδείχθηκε ότι ελλείψει παρεμβολών, διαδίδεται σε ευθεία γραμμή και δεν στρέφεται πουθενά. Εάν ένα αδιαφανές εμπόδιο μπει στο δρόμο της δέσμης, τότε σχηματίζονται σκιές και όπου πηγαίνει το ίδιο το φως, οι άνθρωποι δεν ενδιαφέρθηκαν. Αλλά μόλις η ακτινοβολία συγκρούστηκε με ένα διαφανές μέσο, συνέβησαν εκπληκτικά πράγματα: η δέσμη άλλαξε κατεύθυνσηαπλώθηκε και θαμπώθηκε. Το 1678, ο H. Huygens πρότεινε ότι αυτό μπορεί να εξηγηθεί από ένα μόνο γεγονός: το φως είναι ένα κύμα. Ο επιστήμονας διαμόρφωσε την αρχή Huygens, η οποία αργότερα συμπληρώθηκε από τον Fresnel. Χάρη σε αυτό που οι άνθρωποι σήμερα γνωρίζουν πώς να προσδιορίζουν τον βαθμό πόλωσης.
Αρχή Huygens-Fresnel
Σύμφωνα με αυτήν την αρχή, οποιοδήποτε σημείο του μέσου στο οποίο φτάνει το μέτωπο του κύματος είναι δευτερεύουσα πηγή συνεκτικής ακτινοβολίας και το περίβλημα όλων των μετώπων αυτών των σημείων λειτουργεί ως μέτωπο κύματος την επόμενη χρονική στιγμή. Έτσι, εάν το φως διαδίδεται χωρίς παρεμβολές, κάθε επόμενη στιγμή το μέτωπο του κύματος θα είναι το ίδιο με την προηγούμενη. Αλλά μόλις η δέσμη συναντήσει ένα εμπόδιο, ένας άλλος παράγοντας παίζει ρόλο: σε ανόμοια μέσα, το φως διαδίδεται με διαφορετικές ταχύτητες. Έτσι, το φωτόνιο που κατάφερε να φτάσει πρώτο στο άλλο μέσο θα διαδοθεί σε αυτό γρηγορότερα από το τελευταίο φωτόνιο από τη δέσμη. Επομένως, το μέτωπο του κύματος θα γέρνει. Ο βαθμός πόλωσης δεν έχει να κάνει ακόμα με αυτό, αλλά είναι απλώς απαραίτητο να κατανοήσουμε πλήρως αυτό το φαινόμενο.
Χρόνος διαδικασίας
Θα πρέπει να ειπωθεί ξεχωριστά ότι όλες αυτές οι αλλαγές γίνονται απίστευτα γρήγορα. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι τριακόσιες χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Οποιοδήποτε μέσο επιβραδύνει το φως, αλλά όχι πολύ. Ο χρόνος κατά τον οποίο το μέτωπο του κύματος παραμορφώνεται όταν μετακινείται από το ένα μέσο στο άλλο (για παράδειγμα, από τον αέρα στο νερό) είναι εξαιρετικά σύντομο. Το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να το παρατηρήσει αυτό και λίγες συσκευές μπορούν να διορθώσουν τόσο βραχυκύκλωμαδιαδικασίες. Αξίζει λοιπόν να κατανοήσουμε το φαινόμενο καθαρά θεωρητικά. Τώρα, έχοντας πλήρη επίγνωση του τι είναι η ακτινοβολία, ο αναγνώστης θα θέλει να καταλάβει πώς να βρει τον βαθμό πόλωσης του φωτός; Ας μην εξαπατήσουμε τις προσδοκίες του.
πόλωση φωτός
Έχουμε ήδη αναφέρει παραπάνω ότι τα φωτόνια του φωτός έχουν διαφορετικές ταχύτητες σε διαφορετικά μέσα. Δεδομένου ότι το φως είναι ένα εγκάρσιο ηλεκτρομαγνητικό κύμα (δεν είναι συμπύκνωση και αραίωση του μέσου), έχει δύο κύρια χαρακτηριστικά:
- διάνυσμα κύματος;
- πλάτος (επίσης διανυσματική ποσότητα).
Το πρώτο χαρακτηριστικό υποδεικνύει πού κατευθύνεται η δέσμη φωτός και προκύπτει το διάνυσμα πόλωσης, δηλαδή προς ποια κατεύθυνση κατευθύνεται το διάνυσμα έντασης ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό καθιστά δυνατή την περιστροφή γύρω από το διάνυσμα κύματος. Το φυσικό φως, όπως αυτό που εκπέμπεται από τον ήλιο, δεν έχει πόλωση. Οι ταλαντώσεις κατανέμονται προς όλες τις κατευθύνσεις με ίση πιθανότητα, δεν υπάρχει επιλεγμένη κατεύθυνση ή σχέδιο κατά μήκος του οποίου ταλαντώνεται το άκρο του διανύσματος κύματος.
Τύποι πολωμένου φωτός
Πριν μάθετε πώς να υπολογίζετε τον τύπο για τον βαθμό πόλωσης και να κάνετε υπολογισμούς, θα πρέπει να καταλάβετε ποιοι είναι οι τύποι πολωμένου φωτός.
- Ελειπτική πόλωση. Το τέλος του διανύσματος κύματος ενός τέτοιου φωτός περιγράφει μια έλλειψη.
- Γραμμική πόλωση. Αυτή είναι μια ειδική περίπτωση της πρώτης επιλογής. Όπως υποδηλώνει το όνομα, η εικόνα είναι μία κατεύθυνση.
- Κυκλική πόλωση. Με άλλο τρόπο ονομάζεται και κυκλικό.
Οποιοδήποτε φυσικό φως μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα δύο αμοιβαία κάθετων πολωμένων στοιχείων. Αξίζει να θυμηθούμε ότι δύο κάθετα πολωμένα κύματα δεν αλληλεπιδρούν. Η παρέμβασή τους είναι αδύνατη, αφού από την άποψη της αλληλεπίδρασης των πλατών, δεν φαίνεται να υπάρχουν το ένα για το άλλο. Όταν συναντιούνται, απλώς περνούν χωρίς να αλλάζουν.
Μερικώς πολωμένο φως
Η εφαρμογή του φαινομένου πόλωσης είναι τεράστια. Κατευθύνοντας το φυσικό φως σε ένα αντικείμενο και λαμβάνοντας μερικώς πολωμένο φως, οι επιστήμονες μπορούν να κρίνουν τις ιδιότητες της επιφάνειας. Αλλά πώς προσδιορίζετε τον βαθμό πόλωσης του μερικώς πολωμένου φωτός;
Υπάρχει μια φόρμουλα για το N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), όπου Itrans είναι η ένταση φωτός στην κατεύθυνση κάθετη προς το επίπεδο του πολωτή ή της ανακλαστικής επιφάνειας, και I par- παράλληλη. Η τιμή P μπορεί να πάρει τιμές από 0 (για φυσικό φως χωρίς πόλωση) έως 1 (για επίπεδη πολωμένη ακτινοβολία).
Μπορεί το φυσικό φως να πολωθεί;
Η ερώτηση είναι περίεργη με την πρώτη ματιά. Άλλωστε, η ακτινοβολία στην οποία δεν υπάρχουν διακριτές κατευθύνσεις ονομάζεται συνήθως φυσική. Ωστόσο, για τους κατοίκους της επιφάνειας της Γης, αυτό είναι κατά κάποιο τρόπο μια προσέγγιση. Ο ήλιος δίνει ένα ρεύμα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων διαφόρων μηκών. Αυτή η ακτινοβολία δεν είναι πολωμένη. Περνώντας όμωςμέσα από ένα παχύ στρώμα της ατμόσφαιρας, η ακτινοβολία αποκτά μια ελαφρά πόλωση. Άρα ο βαθμός πόλωσης του φυσικού φωτός γενικά δεν είναι μηδενικός. Αλλά η αξία είναι τόσο μικρή που συχνά παραμελείται. Λαμβάνεται υπόψη μόνο στην περίπτωση ακριβών αστρονομικών υπολογισμών, όπου το παραμικρό σφάλμα μπορεί να προσθέσει χρόνια στο αστέρι ή απόσταση στο σύστημά μας.
Γιατί το φως πολώνεται;
Έχουμε πει συχνά παραπάνω ότι τα φωτόνια συμπεριφέρονται διαφορετικά σε ανόμοια μέσα. Αλλά δεν ανέφεραν γιατί. Η απάντηση εξαρτάται από το είδος του περιβάλλοντος που μιλάμε, με άλλα λόγια, σε ποια συγκεντρωτική κατάσταση είναι.
- Το μέσο είναι ένα κρυσταλλικό σώμα με αυστηρά περιοδική δομή. Συνήθως η δομή μιας τέτοιας ουσίας αντιπροσωπεύεται ως ένα πλέγμα με σταθερές μπάλες - ιόντα. Αλλά σε γενικές γραμμές, αυτό δεν είναι απολύτως ακριβές. Μια τέτοια προσέγγιση δικαιολογείται συχνά, αλλά όχι στην περίπτωση της αλληλεπίδρασης ενός κρυστάλλου και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα, κάθε ιόν ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας του, και όχι τυχαία, αλλά ανάλογα με το ποιους γείτονες έχει, σε ποιες αποστάσεις και πόσους από αυτούς. Δεδομένου ότι όλες αυτές οι δονήσεις προγραμματίζονται αυστηρά από ένα άκαμπτο μέσο, αυτό το ιόν είναι ικανό να εκπέμπει ένα απορροφημένο φωτόνιο μόνο σε μια αυστηρά καθορισμένη μορφή. Αυτό το γεγονός προκαλεί ένα άλλο: ποια θα είναι η πόλωση του εξερχόμενου φωτονίου εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία εισήλθε στον κρύσταλλο. Αυτό ονομάζεται ανισοτροπία ιδιοτήτων.
- Τετάρτη - υγρό. Εδώ η απάντηση είναι πιο περίπλοκη, αφού λειτουργούν δύο παράγοντες - η πολυπλοκότητα των μορίων καιαυξομειώσεις (συμπύκνωση-αραίωση) πυκνότητας. Από μόνα τους, τα πολύπλοκα μακρά οργανικά μόρια έχουν μια ορισμένη δομή. Ακόμη και τα πιο απλά μόρια θειικού οξέος δεν είναι ένας χαοτικός σφαιρικός θρόμβος, αλλά ένα πολύ συγκεκριμένο σταυροειδές σχήμα. Ένα άλλο πράγμα είναι ότι υπό κανονικές συνθήκες είναι όλα τακτοποιημένα τυχαία. Ωστόσο, ο δεύτερος παράγοντας (διακύμανση) είναι σε θέση να δημιουργήσει συνθήκες κάτω από τις οποίες ένας μικρός αριθμός μορίων σχηματίζεται σε μικρό όγκο κάτι σαν μια προσωρινή δομή. Σε αυτήν την περίπτωση, είτε όλα τα μόρια θα συν-κατευθυνθούν, είτε θα βρίσκονται το ένα σε σχέση με το άλλο σε ορισμένες συγκεκριμένες γωνίες. Εάν το φως αυτή τη στιγμή περάσει μέσα από ένα τέτοιο τμήμα του υγρού, θα αποκτήσει μερική πόλωση. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η θερμοκρασία επηρεάζει έντονα την πόλωση του υγρού: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο σοβαροί είναι οι αναταράξεις και τόσο περισσότερες τέτοιες περιοχές θα σχηματιστούν. Το τελευταίο συμπέρασμα υπάρχει χάρη στη θεωρία της αυτοοργάνωσης.
- Τετάρτη - φυσικό αέριο. Στην περίπτωση ενός ομοιογενούς αερίου, η πόλωση συμβαίνει λόγω διακυμάνσεων. Γι' αυτό το φυσικό φως του Ήλιου, περνώντας από την ατμόσφαιρα, αποκτά μια μικρή πόλωση. Και γι' αυτό το χρώμα του ουρανού είναι μπλε: το μέσο μέγεθος των συμπιεσμένων στοιχείων είναι τέτοιο ώστε η μπλε και η βιολετί ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διασκορπίζονται. Αν όμως έχουμε να κάνουμε με μείγμα αερίων, τότε είναι πολύ πιο δύσκολο να υπολογίσουμε τον βαθμό πόλωσης. Αυτά τα προβλήματα λύνονται συχνά από αστρονόμους που μελετούν το φως ενός αστεριού που έχει περάσει μέσα από ένα πυκνό μοριακό νέφος αερίου. Επομένως, είναι τόσο δύσκολο και ενδιαφέρον να μελετήσουμε μακρινούς γαλαξίες και σμήνη. Αλλάοι αστρονόμοι τα καταφέρνουν και δίνουν καταπληκτικές φωτογραφίες από το βαθύ διάστημα στους ανθρώπους.
